新型3D打印软体机器人兼具快速度与高强度

       软机器人在安全性和适应性上表现出色，但其结构完整性不足且依赖开放曲线运动路径，导致灵活性受限；传统机器人虽因运动机制坚固而速度更快，却普遍缺乏物理冲击鲁棒性。塔夫茨大学机械工程系Markus P. Nemitz教授团队联合伍斯特理工学院研究人员，引入多材料设计与打印框架，将经典机构设计拓展至软机器人领域。团队借助配备多挤出机的工具更换器，把不同邵氏硬度热塑性塑料融合成整体系统，通过仿生关节结构实现地面轨迹控制，同时保留软机器人的弹性特性。相关工作以"A framework for soft mechanism driven robots"为题发表在《Nature Communications》上。
研究内容
      通过从四足动物行走轨迹获取灵感，选取四杆机构轨迹并合成理想连杆，再将其转化为多材料设计，最后组装打印部件并集成电子元件，研究了软机构驱动机器人的设计与应用过程，结果表明该框架实现了经典机构设计向软机器人领域的拓展，使机器人具备闭环控制及在多种地形运行的能力。

通过对比不同邵氏硬度的热塑性聚氨酯材料，利用配备三个挤出机的3D打印设备对腿部机构和机器人机身进行打印，研究了软机器人的材料选择与 fabrication 工艺，结果表明所选75D、95A和85A的TPU材料能在保证结构强度的同时兼具弹性，且多材料打印工艺可实现机器人部件的一体化制造。

通过设计并制作直界面、燕尾榫和指接三种不同接口的拉伸测试试样，对其进行力学性能测试，研究了多材料打印时不同接口的结合强度与耐久性，结果表明燕尾榫和指接接口的 adhesive 性能优于直界面，且直界面在行走运动中的安全因子≥4，能满足使用需求。

通过运用运动学分析、图像轨迹跟踪以及有限元分析等方法，对软机器人腿部机构的运动轨迹进行研究，将其与理论模型对比，结果表明关节硬度增加会使轨迹水平范围减小，而软关节结构因具有阻尼效应，可让运动曲线更平滑。

通过对配备不同材料组合腿机构的机器人进行 locomotion 测试，记录并分析其运动数据，研究了材料软硬度对机器人运动平滑度和速度的影响，结果表明使用 softer 材料组合可降低机器人 foot 和质心垂直运动的振幅，提升运动稳定性，且材料软度增加能提高机器人运动速度。

通过使用万能测试机对软机器人和全刚性机器人 chassis 进行压缩测试，对比两者的抗变形能力，研究了软机器人的 impact resistance，结果表明软机器人可承受约30kN的压缩力并在形变后完全恢复，而刚性机器人在约17kN时发生骨折，表现出明显的塑性变形。

通过将机器人置于土壤、岩石、沙地等多种真实地形环境中运行，观察其运动表现，研究了软机器人的环境适应性与结构耐久性，结果表明机器人能在不同 terrain 中稳定行走，其软材料机身可通过 angulation 抵消运动产生的力，提升稳定性，且经汽车碾压后仍能正常工作。

研究结论
     本研究开发了一种多材料设计与3D打印框架，将经典机构设计拓展至软机器人领域。通过融合不同邵氏硬度的热塑性聚氨酯，构建兼具结构强度与弹性的软混合四足机器人，实现闭环轨迹控制与多地形适应能力。拉伸测试表明，多材料界面在循环载荷下可承受至少10,000次循环，直界面安全因子≥4。机器人在沙、土、岩石等地形中展现稳定运动性能，压缩测试显示其可承受约30 kN压力并完全弹性恢复，而刚性对照模型发生塑性断裂。单电池续航测试中，机器人实现约250米无绳运动（2500倍机身长度），验证了该框架在实际场景中的可行性与耐久性。

文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56025-3